Земля — примерная планета: орбита у неё очень правильная, почти круглая, вокруг Солнца вращается, глядя на его экватор, над и под плоскость эклиптики не заглядывает — загляденье! А вот многие другие галактические тела не таковы: у них за зимой иногда может прийти не лето, а какая-нибудь Фимбулвинтер. Впрочем, астрономы считают, что ничего страшного в этом нет.
Со временем в планетной системе может случиться всякое. Скажем, гигант, взаимодействуя с другими планетами, может пойти «на прорыв» к звезде, попутно вышвыривая из системы тела поменьше. Напротив, планета может быть сама выброшена другими гигантами, как, возможно, случилось во времена молодости Солнечной. И это значит, что где-то всё совсем не так, как у нас. В иных системах может быть дикий хаос: плоскость вращения планеты может быть наклонена относительно нормальной и на 30°, и даже больше, а орбита не круглая, а яйцеобразная, и крайняя к звезде точка будет в несколько раз ближе к светилу, чем самая дальняя.
Но самое веселое начинается, если у одной планеты орбита вытянута в одну сторону, а у соседки — в другую и если у одной плоскость вращения наклонена на десятки градусов в одну сторону, а у соседней — в противоположную. Тогда «эксцентричность» одной экзопланеты периодически усиливает «странности» орбиты другой. И начинается кавардак: за миллион лет наклон оси собственного вращения планеты и плоскости её движения вокруг звезды будут постоянно и хаотично меняться.
Хотя орбиты планет нашей системы (пунктиром) довольно круглые и правильные, даже в ближайшей соседней они (сплошной линией) куда менее упорядочены. (Иллюстрация PHL, UPL Arecibo.)
Жителям такой планеты не позавидуешь: неизвестно, когда придёт зима, а когда — весна. Лето, в теории, может оказаться очень жарким, а десять последующих — холоднее недавних зим. Апокалипсис? Группа учёных во главе с Викторией Мидоуз (Victoria Meadows) так не считает.
Исследователи поступили просто: взяли нашу Землю, наше Солнце, задали исходную орбиту в 1 а. е. и создали 16 «диких» модификацией такой системы. Пара–тройка соседних планет в них имели большие вариации вытянутости орбиты, наклона орбитальной плоскости и оси собственного вращения. Со временем все эти «диковинки» посредством гравитационного взаимодействия начинали передаваться моделируемой Земле, усиливая хаотичность её орбиты.
Дальше началось удивительное. В качестве критерия обитаемости учёные взяли длительность периодов, когда температура на планете не ниже 273 К (замерзания воды), но не выше 373 К, а ледовое покрытие — меньше общей площади поверхности. По итогам моделирования длину таких «обитаемых» отрезков планетарной истории сравнивали с историей Земли. И оказалось, что, несмотря на адские вариации в параметрах орбиты, её показатели обитаемости улучшились. Вопреки тому, что в отдельные моменты её удаление от Солнца было чрезвычайно большим, время пребывания в благоприятном температурном диапазоне с малой площадью оледенения выросло.
Хотя авторы взяли строгую внешнюю границу зоны обитаемости в 1,4 а. е. (многие считают, что в действительности для пары Земля — Солнце этот показатель равен 1,5–1,6 а. е.), у них получилось, что по мере нарастания хаотичности орбиты моделируемой планеты внешняя граница зоны обитаемости сильно отодвигалась вдаль. Особенно расширялась зона обитаемости, если у планеты одновременно хаотично менялись и вытянутость орбиты, и наклонение орбитальной плоскости. Одновременные изменения наклона оси собственного вращения планеты также никоим образом не портили обитаемость условной моделируемой Земли. В самой хаотичном случае («Система №3») внешняя граница зоны обитаемости оказалась на 93% дальше по сравнению с базовой — нынешней земной! Как вы уже поняли, хаотичность орбит ни разу не привела к уменьшению внешней границы обитаемой зоны: несмотря на дикую вариабельность, в среднем климат нигде не ухудшился. Как обобщают исследователи, чем быстрее и сильнее были вариации в наклоне орбитальной плоскости и вытянутости орбиты планеты, тем шире оказывалась её зона обитаемости.
Но как? За счёт чего в «Системе №3» внешняя граница зоны обитаемости вместо 1,4 а. е. устремилась к 2,7 а. е.?! Авторы объясняют произошедшее довольно просто. В условиях планеты земной массы, вращающейся вокруг жёлтого карлика, одним из ключевых регуляторов климата является обратная связь «лёд — альбедо». Когда на планете холодает, начинают прирастать ледяные шапки и увеличиваться доля заснеженной поверхности. Поскольку они хорошо отражают видимый свет, на который приходится основная часть излучения Солнца, постольку планета получает от звезды всё меньше энергии, всё сильнее рассеивая её в космос. Оледенение развивается прогрессивно, временами захватывая всю поверхность, как это было несколько сот миллионов лет назад на Земле.
По мере увеличения наклона орбитальной плоскости условной Земли растёт и наклон оси её собственного вращения. (Иллюстрация V. S. Meadows et al.)
В теории есть метод, с помощью которого можно помешать полному и вечному оледенению: по мере покрытия суши и океанов льдом углеродный цикл действует всё слабее, углекислота почти не связывается поверхностью, накапливаясь в атмосфере и порождая парниковый эффект, который через миллионы лет всё же размораживает Землю. Вот только далее 1,4 а. е. от Солнца такой механизм работать не захочет: там возникает опасность настолько низких температур, что CO2 будет выпадать в виде сухого льда на полюсах, как это происходит на Марсе. В итоге углеродный цикл пойдет «не туда», и оледенение не будет остановлено усиливающимся парниковым эффектом.
А вот в «системах хаоса» обратная связь «лёд — альбедо» будет работать плохо. Подумайте сами: только у вас на полюсе появился лёд, как вдруг планета попадает в ту часть своего орбитального пути, где она ближе к Солнцу, чем обычно. Или где её плоскость вращения вокруг звезды так наклонена, что условное северное полушарие резко заливает светом, и шапки там тают «в ноль». Или прецессия меняется столь стремительно, что планета на протяжении года начинает резко подставлять свои полюса по очереди под совершенно прямые солнечные лучи (чего нет на Земле), уничтожая ледовые шапки. И чем больше хаотических переменных в орбитальных параметрах условной планеты в «дикой системе», тем больше факторов, которые не позволяют систематически работать обратной связи «лёд — альбедо»: хаотические перемены сбивают любую положительную обратную связь, надёжно предотвращая замерзание планеты попеременной подстановкой разных её боков солнечным лучам. В таких условиях трудно образоваться даже шапкам водного льда, что уж тут говорить про углекислотный... Поэтому и замерзание планеты до средних температур ниже 273 К начинается лишь на орбитах далее 2,7 а. е. от звезды — там, где планета получает всемеро меньше света, чем наша Земля. Никакой магии: просто в хаотичных системах постоянно покрытые снегом-льдом поверхности, по сути, не образуются.
Подведём итоги: хотя отдельные особо резкие колебания климата, связанные с хаотичностью орбит, способны повредить жизни, в среднем на экзопланетах «диких систем» зона обитаемости шире, значительно шире, чем в Солнечной системе для Земли. Причём авторы верно подмечают, что они брали ещё не самые хаотичные параметры; в реальности колебания орбит экзопланет могут быть более существенными. То есть в целом хаос в планетарных системах жёлтых карликов бьёт порядок, будучи просто лучше него.
Но есть одно важное уточнение. Или даже два. Сказанное относится именно к жёлтым карликам (класс G) и белым звёздам спектрального класса F. У оранжевых и тем более красных карликов основная часть излучения приходится на инфракрасное. А для него лёд — хороший поглотитель, который не столько блестит на Солнце, сколько темен как уголь. В таких системах положительная обратная связь «лёд — альбедо» вообще не действует, и там хаотичность орбит, по идее, не должна резко менять границы зоны обитаемости. Сходной ситуация может быть и у больших «суперземель»: при атмосфере, что всего впятеро плотнее земной, вроде такой, что есть на Титане, температурные различия между экватором и полюсами очень слабы — всего один–два градуса, так как тепло куда эффективнее переносится воздушными потоками. Образование ледовых шапок в таких условиях предельно затруднено, так как для этого надо охладить почти до точки замерзания сразу всю планету.
Тем не менее для двойников Земли вокруг двойников Солнца (или Фомальгаута) получается вот что: чем хаотичнее орбиты их самих и их соседей, тем шире обитаемая зона. А значит, будущим космическим телескопам стоит присмотреться именно к «диким планетам» — тем, что пока труднее всего регистрируются вашими инструментами, земляне.
Препринт исследования можно полистать на сайте arXiv.
